GZY型骨质疏松治疗仪的研制

                                作者：罗二平，焦李成，申广浩，吴小明，谢康宁，路丽华,徐巧玲

【关键词】  骨质疏松

　　Development of GZY therapeutic instrument for osteoporosis

　　【Abstract】 AIM: To develop a GZY therapeutic instrument for osteoporosis and to evaluate the curative effect. METHODS:  By the mechanism analysis of athermal biological effects on low intensity pulsed magnetic fields and the theory of calculating the uniformity of output magnetic fields, a new method of gaining more homogeneous magnetic fields was proposed. To evaluate the curative effect, 20 experimental female SD rat models of osteoporosis were established by ovariectomy. The animal models were randomly divided into 2 groups（n=10, per group）: experimental group treated with GZY instrument and control group not exposed to magnetic fields. The two groups were raised in the same conditions. After 8 weeks, the changes of serum osteocalcin, bone mineral density and histomorphometry were examined. RESULTS:  ① The output uniform region of GZY instrument was larger than that of Helmholtz coils. ② Compared with those of control group, the values of experimental group such as BMD, trabecular area, trabecular thickness and trabecular number significantly increased［(0.331±0.006 vs 0.266±0.009) g/cm2, (36.1±1.7 vs 25.0±1.8)%, (70±5 vs 48±3) μm, (6.9±0.1 vs 4.1±0.2) #/mm, P<0.05］ but the values of trabecular separation and serum osteocalcin decreased obviously［(139±9 vs 166±11) μm, (1.41±0.10 vs 2.61±0.09) μg/L, P<0.05］. CONCLUSION:  GZY instrument can improve the general level of experiments. It is helpful for the treatment and prevention of osteoporosis.

　　【Keywords】 pulsed magnetic fields; Helmholtz coils; osteoporosis; bone mineral density

　　【摘要】 目的：为了满足动物试验的需要，研制GZY型骨质疏松仪，并对其疗效进行评价. 方法：通过对低强度脉冲磁场非热生物效应机制的分析，结合输出磁场区域均匀度理论，提出一种获得匀强磁场的新方法. 通过雌性SD大鼠骨质疏松模型来评价仪器的治疗效果. SD大鼠20只随机分为2组（n=10）：实验组采用GZY仪器进行治疗，磁感应强度为8×10-4 T, 10 h/d；对照组饲养环境相同，但不暴磁. 8 wk后，对血清骨钙素、骨密度以及骨形态计量学等参数进行检测. 结果：①仪器输出匀场的范围要比亥姆赫兹线圈大；②与对照组大鼠相比，实验组骨密度、骨小梁面积百分比、骨小梁宽度、骨小梁数目均有增加［(0.331±0.006 vs 0.266±0.009) g/cm2, (36.1±1.7 vs 25.0±1.8)%, (70±5 vs 48±3) μm, (6.9±0.1 vs 4.1±0.2) #/mm, P<0.05］，骨小梁间隙、血清骨钙素减小［(139±9 vs 166±11) μm, (1.41±0.10 vs 2.61±0.09) μg/L, P<0.05］. 结论：GZY型骨质疏松治疗仪能提高实验的整体水平，有益于骨质疏松症的预防和治疗.

　　【关键词】 脉冲磁场；亥姆赫兹线圈；骨质疏松；骨密度
　
　　0引言

　　磁场热及非热生物效应的研究已成为国内外生物工程学界的研究热点［1］. 以前,人们大部分的精力是研究致热生物效应，近十多年来，人们把研究目标集中于研究非热生物效应上［2-3］. 我们基于低强度(<1×10-6 T)的脉冲磁场（pulsed magnetic fields, PMFs）非热生物效应的机制，结合电磁场理论的计算，研制了GZY型骨质疏松治疗仪，并通过建立骨质疏松动物模型对仪器疗效进行评价，探讨低强度PMFs对骨质疏松症的影响，以期为骨质疏松症的预防和治疗提供新的思路和理论依据.

　　1材料和方法

　　1.1材料

　　1.1.1仪器骨质疏松治疗仪（GZY型）由第四军医大学生物医学工程系研制（专利号：ZL02224739.4），匀强场的输出采用三个半径均为R的线圈来实现（图1）：

　　1.1.2动物3月龄SD雌性大鼠20只，体质量（225±10）g，第四军医大学实验动物中心提供.

　　1.2方法

　　1.2.1动物分组动物随机分为两组（n=10）：实验组和对照组. 各组大鼠均采用下腹部切口、行双侧卵巢切除术，动物分笼饲养（温度17～25℃，湿度40%～50%）. 实验组采用GZY型骨质疏松治疗仪进行治疗，磁感应强度调节为8×10-4 T，时间为10 h/d（08：00～18：00），对照组饲养于线圈中但不暴磁，动物可自由活动、饮水，实验的全过程在第四军医大学实验动物中心完成.

　　1.2.2检测指标两组大鼠饲养8 wk后处死，处死前用速眠新(1 mL/kg)麻醉，用Lunar DPXIQ型骨密度仪（LUNAR公司，美国），附小动物全身骨密度（Bone mineral density，BMD）测定软件进行大鼠全身BMD测量. 从心脏抽取血标本，离心后取血清，至于-20℃冰箱保存，用放免法测定血清骨钙素浓度，试剂盒由解放军总放免所提供. 取右股骨远端置40 g/L甲醛中固定24 h，90 g/L甲酸脱钙21 d，常规石蜡切片，切片厚度4 μm，苏木精伊红染色，采用Leica DC200图像分析系统，每只大鼠标本观察切片3张，每张参数测量取高倍视野，测量并计算骨小梁面积百分比（Trabecular Area, Tb・Ar）、骨小梁宽度（Trabecular thickness, Tb・Th）,骨小梁间隙（Trabecular Separation, Tb・Sp）及骨小梁数目（Trabecular number, Tb・N）［4］.

　　统计学处理：所有数据以x±s表示，采用SPSS 10.0软件进行成组t检验，以P<0.05为有显著性差异.

　　2结果

　　2.1仪器输出均匀场范围根据（1）~（3）式可以进一步推算出任一点与中心处磁场B(O)的相对偏差：ε=B(x,y)-B(O)〖〗B(O)

　　将仪器三线圈输出系统与亥姆赫兹线圈的均匀场范围作比较，发现输出均匀磁场的范围比亥姆赫兹线圈大得多（表1). 如果把均匀区近似看成圆柱体, 在相对误差分别满足1.0%和0.1%的条件下，三线圈输出系统输出均匀场区的体积分别是亥姆赫兹线圈的1.94和3.48倍［5］.表1均匀场范围的比较（略）

　　2.2动物实验指标检测与对照组大鼠相比，实验组BMD, Tb・Ar, Tb・Th, Tb・N均有增加（P<0.05），Tb・Sp, 血清骨钙素减小（P<0.05，表2）.表2动物实验指标检测结果(略)

　　3讨论

　　骨质疏松症是一种全身性的骨骼疾病，其特点是骨质减少，骨组织的细微结构被破坏，结果使骨的脆性增加，骨折的危险性增加. 骨质疏松症的发病率随着人口的老龄化而逐渐增高，依照世界卫生组织的资料说明，全世界绝经后的妇女有近30%的人患有骨质疏松症，世界范围内妇女由于患有骨质疏松而有骨折危险的高达40%［6-7］. 骨质疏松症早期诊断主要通过仪器在体外对骨骼中的矿物质进行测量和定量分析，即测定BMD来判断是否有骨质疏松及严重程度，为和疗效观察提供依据. BMD降低必然导致骨强度降低，通过BMD测量，通常可以初步判断是否是原发性骨质疏松. 在开展动物实验时，若BMD测量结果无显著性差异，不能轻下结论，而有必要进一步做骨组织形态学的定量研究［8］. 骨组织形态计量学是对骨组织形态进行定量分析的研究领域，属体视学、生物医学组织形态计量学中的一个特殊分支. 这种方法能将形态学观察到的骨组织结构改变，用定性、定量的计量方法获得细胞水平、组织水平以及器官水平上的活的信息［9］.

　　目前妇女绝经后骨质疏松防治中备受关注且疗效确切的治疗方案是雌激素替代疗法，它能够防止妇女绝经后骨矿进行性丢失，减少骨质疏松骨折的危险性. 然而雌激素替代疗法的副作用使其在临床上的应用仍存疑虑. 因此，探索防治骨质疏松的新途径十分必要［10-13］. 我们通过理论推导与，重新设计制作了输出线圈，获得了更大的匀场范围，研制了GZY型骨质疏松治疗仪，满足进一步开展动物实验的需求，提高了动物实验设计的整体水平. 动物实验结果显示该仪器可以提高卵巢切除大鼠骨密度，改善松质骨骨小梁的显微结构，降低血清骨钙素，提示对骨质疏松症有预防和治疗作用.

　　磁疗的最大优点是无创伤、无感染、费用低廉. 低强度PMFs在生物体内引起一系列的生物学效应为今后临床上骨质疏松症的预防和治疗提供了新的思路和理论依据［14-16］，但究其详细机制还需进一步探索.

　　【】

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